KR20240036106A - 산화알루미늄-산화규소 복합기판을 기반으로 하는 led 칩 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 출원은 산화알루미늄-산화규소 복합기판을 기반으로 하는 LED 칩 및 그 제조방법을 제공하는 바, LED 칩은 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판, 복합버퍼층 및 LED 구조층을 포함하고, 여기서, 복합버퍼층은 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판에 에피택셜 성장되고, LED 구조층은 복합버퍼층에 에피택셜 성장된다. 복합버퍼층은 질화산화알루미늄/질화알루미늄층 및 질화산화규소층을 포함하고, 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판 중의 산화알루미늄상에는 질화산화알루미늄/질화알루미늄층이 피복되고, 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판 중의 산화규소상에는 질화산화알루미늄/질화알루미늄층 및 질화산화규소층이 교차간격적으로 피복된다. 복합버퍼층은 산화알루미늄 및 산화규소 재료에서 두께 균일성이 더 우수하고, 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판으로 부터 LED 결정성장 기저층으로의 재질이 다름으로 인한 격자 불일치 및 응력 방출을 더 잘 완충할 수 있으며, 이음층 위치의 결함을 줄일 수 있다.
Description
본 출원은 2022년 8월 24일 중국 국가지식재산권국에 제출된 출원번호가 202211021069.3이고 발명의 명칭이 “산화알루미늄-산화규소 복합기판을 기반으로 하는 LED 칩 및 그 제조방법”인 중국 특허 출원의 우선권을 주장하는 바, 해당 출원의 모든 내용은 참조로써 본 출원에 포함된다.
본 출원은 LED 칩 기술 분야에 관한 것으로, 특히 산화알루미늄-산화규소 복합기판을 기반으로 하는 LED 칩 및 그 제조방법에 관한 것이다.
LED(Light Emitting Diode, 발광 다이오드)는 일반적으로 사용되는 발광 소자로 전자와 정공의 복합을 통해 에너지를 방출하고 발광하며, LED 제품은 다양한 산업에서 널리 사용되며 사람들의 일상 생활과 생산에서 중요한 역할을 한다. 업계에서는 주로 MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapour Deposition, 금속유기화합물 화학증착) 방법을 사용하여 LED 에피택셜 시트를 제조하고 일반적으로 PSS 기판(Patterned Sapphire Substrate, 패턴화 사파이어 기판)을 사용한다. PSS 기판 재료에 건식 식각용 마스크를 성장시키고 표준 포토리소그래피 공정으로 마스크를 패턴화한 다음 ICP(inductively coupled plasma, 유도 결합 플라즈마) 식각 기술을 사용하여 사파이어에 식각하고 마스크를 제거하고 그 위에 GaN(질화갈륨) 재료를 성장시켜 GaN 재료의 세로 에피택셜을 가로 에피택셜로 만든다. 한편으로는 GaN 에피택셜 재료의 전위 밀도(dislocation density)를 효과적으로 감소시켜 능동 영역(active area)의 비방사 재결합을 감소시키고 역누설 전류를 감소시키며 LED의 수명을 향상시킬 수 있으며, 다른 한편으로는 능동 영역에서 방출되는 빛은 GaN과 사파이어 기판 계면의 다중 산란을 통해 전반사 빛의 출사각을 변화시키고 사파이어 기판으로 부터 플립 LED의 빛이 출사될 확률을 증가시켜 빛의 추출 효율을 향상시킨다.
LED 시장은 안정적이고 일상적인 제조로 나아가고 있고, 고급 첨단 제품에 대한 수요가 점점 더 시급해지고 있으며 특히,고광효율 제품인 경우 더욱 시급하다. 그러나 현재 내부 양자 효율을 향상시키는 것이 점점 더 어려워져 외부 양자 효율과 광 추출 효율을 향상시키는 조치가 더욱 중요하다. 업계에서는 외부 양자 효율과 광추출 효율을 향상시키기 위해 일반적으로 산화알루미늄-산화규소(Al2O3/SiO2) 복합 PSS 기판과 LED 결정성장 기저층을 결합하는 방법을 사용하는 바, 즉 Al2O3/SiO2 복합 PSS 기판을 사용하고, Al2O3/SiO2 복합 PSS 기판 패턴에 한 층의 AlN(질화알루미늄)을 에피택셜 성장시켜 버퍼층으로 한 후, 버퍼층에 LED 구조층을 에피택셜 성장시킨다.
그러나 한편으로 AlN과 GaN 재료의 성장률로 인해 Al2O3/SiO2 복합 PSS 기판 패턴 부분의 Al2O3 재료와 SiO2 재료의 차이가 상대적으로 커 AlN 버퍼층의 두께의 균일성이 좋지 않다. 다른 한편으로, Al2O3/SiO2 복합 PSS 기판의 SiO2 패턴 부분은 SiO2 재료층의 격자 품질이 좋지 않아 고농도의 산소 빈격자점 결함 등의 문제가 있다.
본 출원은, AlN 버퍼층을 사용하여 두께 균일성이 불량하고 격자 품질이 불량한 문제를 해결하기 위한, 산화알루미늄-산화규소 복합기판을 기반으로 하는 LED 칩 및 그 제조방법을 제공한다.
제1 측면에서, 본 출원은 산화알루미늄-산화규소 복합기판을 기반으로 하는 LED 칩을 제공하는 바, 상기 LED 칩은 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판, 복합버퍼층 및 LED 구조층을 포함하고, 여기서, 복합버퍼층은 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판에 에피택셜 성장되고, LED 구조층은 복합버퍼층에 에피택셜 성장되며; 복합버퍼층은 질화산화알루미늄/질화알루미늄층 및 질화산화규소층을 포함하고, 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판 중의 산화알루미늄상에는 질화산화알루미늄/질화알루미늄층이 피복되고, 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판 중의 산화규소상에는 질화산화알루미늄/질화알루미늄층 및 질화산화규소층이 교차간격적으로 피복되며; 질화산화알루미늄/질화알루미늄층 중의 질화산화알루미늄은 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판과 연결되고, 질화산화알루미늄/질화알루미늄층 중의 질화알루미늄은 LED 구조층과 연결된다.
일부 실시예에서, 질화산화알루미늄/질화알루미늄 층 중의 질화산화알루미늄의 두께는 질화산화알루미늄/질화알루미늄층 전체 두께의 30%-60%이다.
일부 실시예에서, 질화산화알루미늄/질화알루미늄층의 두께는 100-250A이고, 질화산화규소층의 두께는 100-300A이다.
제2 측면에서, 본 출원은 또한 제1 측면의 산화알루미늄-산화규소 복합기판을 기반으로 하는 LED 칩을 제조하는 데 사용되는 LED 칩의 제조방법을 제공하고, 제조방법은 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판을 물리적 증착 장비에 넣고, 물리적 증착을 통해 질화산화알루미늄/질화알루미늄층을 에피택셜 성장시켜, 제1 기판을 얻는 단계; 제1 기판을 금속유기화합물 화학증착 장비에 넣고, 금속유기화합물 화학증착을 통해 질화산화규소층을 에피택셜 성장시켜 제2 기판을 얻는 단계; 제2 기판에 LED 구조층을 에피택셜 성장시키는 단계; 를 포함한다.
일부 실시예에서, 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판을 물리적 증착 장비에 넣고, 물리적 증착을 통해 질화산화알루미늄/질화알루미늄층을 에피택셜 성장시켜, 제1 기판을 얻는 단계는, 물리적 증착 장비 챔버에서, 질소 분위기하에, 아르곤을 사용하여 알루미늄 표적재를 충격하여 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판의 기판 표면에 마그네트론을 이용해 스퍼터링하고, 산소를 주입하고, 반응시켜 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판에 에피택셜 성장된 질화산화알루미늄 박막을 얻는 단계; 산소 주입을 중단하고, 반응시켜 질화산화알루미늄 층에 에피택셜 성장된 질화알루미늄 박막을 얻어 제1 기판을 얻는 단계; 를 포함한다.
일부 실시예에서, 물리적 증착 장비의 스퍼터링 출력 설정 범위는 3000-4500W이고, 스퍼터링 온도 설정 범위는 500-650℃이며; 산소 주입 유량은 2sccm-6sccm이고, 산소 주입 시간은 물리적 증착 에피택셜 성장 전체 시간의 30%-60%이다.
일부 실시예에서, 제1 기판을 금속유기화합물 화학증착 장비에 넣고, 금속유기화합물 화학증착을 통해 질화산화규소층을 에피택셜 성장시켜 제2 기판을 얻는 단계는, 금속유기화합물 화학증착 장비에서, 제1 기판에 대해 수소 분위기에서, 제1 기설정 온도로 열처리하며, 열처리는 제1 기설정 시간 지속되도록 하는 단계; 분위기를 질소와 암모니아의 혼합 분위기의 방식으로 전환하고, 여기서 질소는 운반 기체이고, 암모니아는 반응 기체로서, 질소 원(소스)을 제공하는 데 사용되고, 제2 기설정 온도로 열치환 반응을 수행하고, 반응을 통해 제1 기판에 에피택셜 성장된 질화산화규소층을 얻고, 제2 기설정 온도는 제1 기설정 온도보다 낮고, 열치환 반응은 제2 기설정 시간 동안 지속되도록 하는 단계; 질소와 암모니아의 혼합 분위기를 유지하고, 온도를 제어하여 제3 기설정 온도로 낮추어 어닐링 처리를 수행하고, 제3 기설정 온도는 제2 기설정 온도보다 낮고, 어닐링 처리를 제3 기설정 시간 동안 지속하여 제2 기판을 얻는 단계; 를 포함한다.
일부 실시예에서, 제1 기설정 온도 범위는 1050℃-1150℃이고, 제1 기설정 시간 범위는 1-5min이며; 제2 기설정 온도 범위는 800℃-1000℃이고, 제2 기설정 시간 범위는 5min-20min이며; 제3 기설정 온도 범위는 550℃-650℃이고, 제3 기설정 시간 범위는 20min-30min이다.
일부 실시예에서, 에피택셜 성장된 질화산화알루미늄/질화알루미늄층의 두께는 100-250A이고, 에피택셜 성장된 질화산화규소층의 두께는 100-300A이다.
본 출원은 산화알루미늄-산화규소 복합기판을 기반으로 하는 LED 칩 및 그 제조방법을 제공하고, LED 칩은 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판, 복합버퍼층 및 LED 구조층을 포함하고, 여기서, 복합버퍼층은 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판에 에피택셜 성장되고, LED 구조층은 복합버퍼층에 에피택셜 성장된다. 복합버퍼층은 질화산화알루미늄/질화알루미늄층 및 질화산화규소층을 포함하고, 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판 중의 산화알루미늄상에는 질화산화알루미늄/질화알루미늄층이 피복되고, 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판 중의 산화규소상에는 질화산화알루미늄/질화알루미늄층 및 질화산화규소층이 교차간격적으로 피복되고; 질화산화알루미늄/질화알루미늄층 중의 질화산화알루미늄은 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판과 연결되고, 질화산화알루미늄/질화알루미늄층 중의 질화알루미늄은 LED 구조층과 연결된다. 복합버퍼층은 산화알루미늄 및 산화규소 재료에서 두께 균일성이 더 우수하고, 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판으로 부터 LED 결정성장 기저층으로의 재질이 다름으로 인한 격자 불일치 및 응력 방출을 더 잘 완충할 수 있으며, 이음층 위치의 결함을 줄일 수 있다.
본 출원의 기술안을 보다 명확하게 설명하기 위하여 이하에서 실시예에 필요한 도면을 간략히 소개하며, 당업자의 경우 창조적 노동을 지불하지 않는 범위 내에서 이러한 도면을 기반으로 다른 도면을 얻을 수 있음은 자명하다.
도 1은 본 출원의 일부 실시예에 따라 제공되는 산화알루미늄-산화규소 복합기판을 기반으로 하는 LED 칩의 구조 개략도이다.
도 2는 Al2O3/SiO2 복합 PSS 기판의 구조 개략도이다.
도 3은 AlN 버퍼층의 구조 개략도이다.
도 4는 AlN 버퍼층의 LED 칩의 구조 개략도이다.
도 5는 AlN 버퍼층의 LED 칩의 TEM 이미지 1이다.
도 6은 AlN 버퍼층의 LED 칩의 TEM 이미지 2이다.
도 7은 본 출원의 일부 실시예에 따라 제공되는 산화알루미늄-산화규소 복합기판을 기반으로 하는 LED 칩의 TEM 이미지 1이다.
도 8은 본 출원의 일부 실시예에 따라 제공되는 산화알루미늄-산화규소 복합기판을 기반으로 하는 LED 칩의 TEM 이미지 2이다.
도 9는 본 출원의 일부 실시예에 따라 제공되는 산화알루미늄-산화규소 복합기판을 기반으로 하는 LED 칩의 제조방법의 흐름 개략도이다.
도 10은 본 출원의 일부 실시예에 따라 제공되는 제1 기판에 SiOxNy 층을 MOCVD에 의해 에피택셜 성장시켜 제2 기판을 얻는 흐름 개략도이다.
도 11은 본 출원의 일부 실시예에 따라 제공되는 Al2O3/SiO2 복합 PSS 기판에 AlOxNy 층을 에피택셜 성장시킨 구조 개략도이다.
도 12는 본 출원의 일부 실시예에 따라 제공되는 AlOxNy 층에 AlN 층을 에피택셜 성장시킨 구조 개략도이다.
도 13은 본 출원의 일부 실시예에 따라 제공되는 AlOxNy/AlN 층의 열처리 후의 구조 개략도이다.
도 14는 본 출원의 일부 실시예에 따라 제공되는 복합버퍼층의 구조 개략도이다.
도 15는 도 14 중 A 부분의 부분 확대 구조 개략도이다.
도 1은 본 출원의 일부 실시예에 따라 제공되는 산화알루미늄-산화규소 복합기판을 기반으로 하는 LED 칩의 구조 개략도이다.
도 2는 Al2O3/SiO2 복합 PSS 기판의 구조 개략도이다.
도 3은 AlN 버퍼층의 구조 개략도이다.
도 4는 AlN 버퍼층의 LED 칩의 구조 개략도이다.
도 5는 AlN 버퍼층의 LED 칩의 TEM 이미지 1이다.
도 6은 AlN 버퍼층의 LED 칩의 TEM 이미지 2이다.
도 7은 본 출원의 일부 실시예에 따라 제공되는 산화알루미늄-산화규소 복합기판을 기반으로 하는 LED 칩의 TEM 이미지 1이다.
도 8은 본 출원의 일부 실시예에 따라 제공되는 산화알루미늄-산화규소 복합기판을 기반으로 하는 LED 칩의 TEM 이미지 2이다.
도 9는 본 출원의 일부 실시예에 따라 제공되는 산화알루미늄-산화규소 복합기판을 기반으로 하는 LED 칩의 제조방법의 흐름 개략도이다.
도 10은 본 출원의 일부 실시예에 따라 제공되는 제1 기판에 SiOxNy 층을 MOCVD에 의해 에피택셜 성장시켜 제2 기판을 얻는 흐름 개략도이다.
도 11은 본 출원의 일부 실시예에 따라 제공되는 Al2O3/SiO2 복합 PSS 기판에 AlOxNy 층을 에피택셜 성장시킨 구조 개략도이다.
도 12는 본 출원의 일부 실시예에 따라 제공되는 AlOxNy 층에 AlN 층을 에피택셜 성장시킨 구조 개략도이다.
도 13은 본 출원의 일부 실시예에 따라 제공되는 AlOxNy/AlN 층의 열처리 후의 구조 개략도이다.
도 14는 본 출원의 일부 실시예에 따라 제공되는 복합버퍼층의 구조 개략도이다.
도 15는 도 14 중 A 부분의 부분 확대 구조 개략도이다.
이하, 실시예에 대해 자세히 설명하며, 그 예시는 도면에 표시된다. 다음 설명이 도면에 관련될 경우, 달리 표현되지 않는 한 다른 도면 중의 동일한 숫자는 동일하거나 유사한 요소를 나타낸다. 아래 실시예에 설명된 실시형태가 본 출원과 일치하는 모든 실시형태를 나타내는 것은 아니다. 청구범위에 자세히 설명된 본 출원의 일부 측면과 일치하는 시스템 및 방법의 예시일 뿐이다.
에피택셜 성장이란 단결정 기판에, 특정 요구를 가지며 기판 결정 배향과 동일한 한 층의 단결정층을 성장시키는 것을 말하며, 마치 원래 결정이 바깥쪽으로 한 층 연장된 것과 유사하다. 에피택셜층을 성장시키는 방법에는 여러 가지가 있는데, 예를 들어 액상 에피택셜(Liquid Phase Epitaxy, LPE), 물리적 증착(Physical Vapour Deposition, PVD), 금속유기화합물 화학증착(Metal-organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD), 수소화물 기상 에피택셜(Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE), 분자선 에피택셜(Molecular Beam Epitaxy, MBE) 등이 있으며 일반적으로 산업화 생산에서는 MOCVD 에피택셜 공정을 가장 많이 채택한다.
MOCVD는 기상 에피택셜 성장(Vapor Phase Epitaxy, VPE)을 기반으로 개발된 새로운 기상 에피택셜 성장 기술이다. MOCVD는 III족 및 II족 원소의 유기 화합물과 V, VI족 원소의 수소화물 등을 결정 성장원 재료로 사용하여 열분해 반응으로 기판에 기상 에피택셜을 수행하고 다양한 III-V 주족, II-VI 부족 화합물 반도체 및 이들의 다중 고용체의 박막 단결정 재료를 성장시킨다. MOCVD는 결정 성장을 정확하게 제어할 수 있고 반복성이 좋으며 수율이 높고 대규모 산업 생산에 적합하다는 장점이 있다.
PVD 기술은 진공 조건에서 물리적 방법을 사용하여 재료 소스(고체 또는 액체)의 표면을 기체 원자, 분자로 기화시키거나 부분적으로 이온화시켜 이온이 되게 하고, 저압 가스(또는 플라즈마) 공정을 통해 매트릭스 표면에 특정 기능을 가진 박막을 증착하는 기술이다.
일부 실시예에서는, 도 2에 도시된 바와 같이 하나의 Al2O3/SiO2 복합 PSS 기판을 나타낸다. 도 3에 도시된 바와 같이 Al2O3/SiO2 복합 PSS 기판 패턴에 한 층의 AlN(질화알루미늄)을 에피택셜 성장시켜 버퍼층으로 하였다. 그런 다음 도 4에 도시된 바와 같이 AlN 버퍼층에 LED 구조층을 에피택셜 성장시켰다.
그러나 한편으로 AlN과 GaN 재료의 성장률로 인해 Al2O3/SiO2 복합 PSS 기판 패턴 부분의 Al2O3 재료와 SiO2 재료의 차이가 상대적으로 크다. 다른 한편으로, Al2O3/SiO2 복합 PSS 기판의 SiO2 패턴 부분은 SiO2 재료층의 격자 품질이 좋지 않아 고농도의 산소 빈격자점 결함 등의 문제가 있다. 도 5 및 도 6은 위의 실시예에서 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope, TEM)을 사용하여 얻은 미시적 이미지를 보여준다. 도 6에서 알 수 있듯이, Al2O3/SiO2 복합 PSS 기판 패턴 부분의 SiO2 재료에서 AlN 버퍼층의 두께는 49 A(옹스트롬) 및 74A인 반면, Al2O3/SiO2 복합 PSS 기판 패턴 부분의 Al2O3 재료에서 AlN 버퍼층의 두께는 125A 및 152A이다. 양자의 두께가 거의 두 배 차이가 나며 두께 균일성이 좋지 않음을 알 수 있다. 도 5의 화살표 위치에서 Al2O3/SiO2 복합 PSS 기판의 SiO2 패턴 부분에 산소 빈격자점 결함 등의 문제가 있음을 분명히 알 수 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 출원은 산화알루미늄-산화규소 복합기판을 기반으로 하는 LED 칩을 제공하는 바, 도 1을 참조하면 상기 LED 칩은 산화알루미늄-산화규소(Al2O3/SiO2) 복합 PSS 기판, 복합버퍼층 및 LED 구조층을 포함하고, 여기서, 복합버퍼층은 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판에 에피택셜 성장되고, LED 구조층은 복합버퍼층에 에피택셜 성장된다.
복합버퍼층은 Al2O3/SiO2 복합 PSS 기판에서 부터 LED 결정성장 기저층까지의 서로 다른 재질로 인한 격자 불일치 및 응력 방출을 더 잘 완충하고 이음층 위치의 결함을 줄이는 데 사용된다. LED 구조층은 LED의 본체 작동 구조층이다. 예시적으로, LED 구조층은 U형 GaN층, N형 GaN층, 응력 방출층, 전자 포집층, 다중 양자 우물층 및 P층을 포함할 수 있다. 여기서, U형 GaN층은 외부 양자 효율 및 광 추출 효율을 향상시키기 위한 LED 결정성장 기저층 역할을 한다. N형 GaN층은 LED의 N형 영역을 형성하는 데 사용되며, N형 영역에 의해 제공되는 전자는 양자 우물에서 정공과 복합하여 빛을 여기하며, LED의 주요 구조 중 하나이다. 응력 방출층은 격자 사이의 응력을 방출하는 데 사용된다. 전자 포집층은 N형 영역의 전자 농축 효과를 생성하는 데 사용된다. 다중 양자 우물층(multiple quantum well, MQW)은 여러 개의 양자 우물이 결합된 시스템을 말한다. 재료 구조 및 성장 과정에 있어서, 다중 양자 우물과 초격자는 실질적인 차이가 없으며 초격자 퍼텐셜 장벽층이 상대적으로 얇고 전위 우물 간의 결합이 강하여 마이크로밴드를 형성하는 반면 다중 양자 우물 사이의 퍼텐셜 장벽층은 두껍고 기본적으로 터널링 결합이 없으며 마이크로밴드를 형성하지 않는다. 다중 양자 우물 구조는 주로 광학 특성에 적용되며 LED 에피택셜 구조의 기본 구조층 중 하나이다. P층은 LED의 P형 영역을 형성하는 데 사용되며, LED의 주요 구조 중 하나이다.
복합버퍼층은 질화산화알루미늄(aluminium oxynitride)/질화알루미늄층(AlOxNy/AlN) 및 질화산화규소층(silicon oxynitride, SiOxNy)을 포함하고, 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판 중의 산화알루미늄상에는 질화산화알루미늄/질화알루미늄층이 피복되고, 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판 중의 산화규소상에는 질화산화알루미늄/질화알루미늄층 및 질화산화규소층이 교차간격적으로 피복된다. 질화산화알루미늄/질화알루미늄층 중의 질화산화알루미늄(AlOxNy)은 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판과 연결되고, 질화산화알루미늄/질화알루미늄층 중의 질화알루미늄(AlN)은 LED 구조층과 연결된다.
하나의 예시적인 실시 형태에서, 질화산화알루미늄/질화알루미늄층 중의 질화산화알루미늄의 두께는 질화산화알루미늄/질화알루미늄층 전체 두께의 30%-60%이고, 이러한 설정은 격자 결함을 줄이고 격자를 더 조밀하게 만들기 위함이다.
하나의 예시적인 실시 형태에서, 질화산화알루미늄/질화알루미늄층의 두께는 100-250A이고, 질화산화규소층의 두께는 100-300A이며, 이러한 설정은 서로 다른 재질로 인한 격자 불일치와 응력 방출을 더 잘 완충하고 이음층 위치의 결함을 줄이기 위함이다.
도 7 및 도 8은 각각 본 출원의 일부 실시예에 따라 제공되는 산화알루미늄-산화규소 복합기판을 기반으로 하는 LED 칩의 TEM 이미지 1 및 이미지 2이다. 도 8에서 알 수 있듯이, Al2O3/SiO2 복합 PSS 기판 패턴 부분의 SiO2 재료에서 복합버퍼층의 두께는 57A 및124A인 반면, Al2O3/SiO2 복합 PSS 기판 패턴 부분의 Al2O3 재료에서 복합버퍼층의 두께는 88A 및117A로 양자의 두께 차이가 크지 않음을 알 수 있다. 도 7에서 Al2O3/SiO2 복합 PSS 기판의 SiO2 패턴 부분에서는 뚜렷한 격자 결함이 보이지 않고 격자는 더 조밀하다.
상기 실시예에 기초하여, 본 출원은 또한, 상기 본 출원의 실시예의 산화알루미늄-산화규소 복합기판을 기반으로 하는 LED 칩을 제조하는 데 사용되는 LED 칩의 제조방법을 제공하며, 도 9를 참조하면, 제조방법은 다음 단계를 포함한다.
단계 S100: Al2O3/SiO2 복합 PSS 기판을 물리적 증착(PVD) 장비에 넣고, 물리적 증착을 통해 AlOxNy/AlN 층을 에피택셜 성장시켜 제1 기판을 얻는다.
PVD 장비 챔버에서, PVD 장비의 스퍼터링 출력 설정 범위는 3000-4500와트(W)이고, 스퍼터링 온도 설정 범위는 섭씨 500-650℃이고, 질소(N2) 분위기에서 아르곤(Ar)을 사용하여 알루미늄(Al) 표적재를 충격하여 Al2O3/SiO2 복합 PSS 기판의 기판 표면에 마그네트론을 이용해 스퍼터링하고, 먼저 산소(O2)를 주입하고, O2를 주입하는 유량은 2 표준 입방 센티미터/분 (sccm)-6sccm이고, 반응을 통해 Al2O3/SiO2 복합 PSS 기판에 에피택셜 성장된 AlOxNy 박막을 얻고, 도 11을 참조하여 O2를 주입시키는 시간은 전체 PVD 에피택셜 성장 시간의 30%-60%이며, 즉 AlOxNy 두께는 AlOxNy/AlN 층 전체 두께의 30%-60%이다. 그 후 산소 주입을 중단하고, 반응을 통해 질화산화알루미늄(AlOxNy)층에 에피택셜 성장된 질화알루미늄(AlN) 박막을 얻어서, 도 12를 참조하면, 제1 기판을 얻고, 제1 기판은 PVD 증착 AlOxNy/AlN층이 있는 Al2O3/SiO2 복합 PSS 기판이다.
단계 S200: 제1기판을 금속유기화합물 화학증착 장비에 넣고 금속유기화합물 화학증착을 통해 질화산화규소층을 에피택셜 성장시켜 제2 기판을 얻고, 도 10을 참조하면, 단계 S200는 단계 S210 내지 단계 S230에 의해 실현된다.
단계 S210: MOCVD 장비에서, 제1 기판에 대해 제1 기설정(미리 설정) 온도로 열처리를 수행한다.
제1 기판을 금속유기화합물 화학증착(MOCVD) 장비로 옮기고, MOCVD 장비에서 제1 기판에 대해 수소(H2) 분위기에서 제1 기설정 온도에서 열처리를 수행한다. 예시적으로, 제1 기설정 온도 범위는 1050℃-1150℃이고; 열처리는 제1 기설정 시간 동안 지속된다. 예시적으로, 제1 기설정 시간 범위는 1-5분(min)이다.
도 13을 참조하면, SiO2 패턴의 표면 위치에서 AlOxNy/AlN층의 증착 및 성장이 비교적 어렵고, SEM 스캔은 그 성장 형태가 비박막적 불규칙한 간헐(단속)적 분포임을 보여준다. 따라서 기판 표면의 물, 산소 등 불순물을 제거하기 위해 열처리가 필요하며 고온 과정에서 SiO2의 표면부에 증착된 AlOxNy/AlN층 복합체가 응집 효과를 일으켜 더 큰 간격을 갖는 입자를 형성하여 더 큰 면적의 SiO2 표면을 노출시킬 수 있다.
단계 S220: 제2 기설정 온도로 열치환 반응을 수행하여, SiOxNy 층을 얻는다.
분위기를 질소(N2)와 암모니아(NH3)의 혼합 분위기의 방식으로 전환하고, 여기서 N2는 운반 기체이고, NH3은 반응 기체이며, 질소(N) 원(소스)을 제공하는 데 사용되고, 제2 기설정 온도로 열치환 반응을 수행하고, 제2 기설정 온도는 제1 기설정 온도보다 낮다. 예시적으로, 제2 기설정 온도 범위는 800℃-1000℃이고, 반응하여 제1 기판에 에피택셜 성장된 SiOxNy층을 얻는다. 도 14를 참조하면, 열치환 반응은 제2 기설정 시간 동안 지속된다. 예시적으로, SiO2 표면의 SiOxNy층의 두께와 N 치환 성분의 농도를 제어하기 위해, 제2 기설정 시간 범위는 5분(min)-20분(min)이다.
단계 S230: 온도를 제3 기설정 온도로 낮추고 어닐링 처리를 수행하여 제2 기판을 얻는다.
N2와 NH3의 혼합 분위기를 계속 유지하고 온도를 제어하여 제3 기설정 온도로 낮추고 어닐링 처리를 수행하고, 제3 기설정 온도는 제2 기설정 온도보다 낮다. 예시적으로, 제3 기설정 온도 범위는 550℃-650℃이고, 어닐링 처리는 제3 기설정 시간 동안 지속된다. 예시적으로, 단계 S220의 열치환 반응에 의해 생성된 SiOxNy 박막 표면에 존재하는 다량의 H 불순물을 제거하기 위해 제3 기설정 시간 범위는 20min-30min이다. 어닐링 후 제2 기판을 얻으며, 도 14를 참조하면, 제2 기판은 복합버퍼층이 있는 Al2O3/SiO2 복합 PSS 기판이고, 복합버퍼층은 AlOxNy/AlN 층 및 SiOxNy 층을 포함하며, Al2O3/SiO2 복합 PSS 기판 중의 Al2O3에는 AlOxNy/AlN 층으로 피복되고, Al2O3/SiO2 복합 PSS 기판 중의 SiO2에는 AlOxNy/AlN 층 및 SiOxNy 층이 교차간격적으로 피복되며, 도 15에 도시된 바와 같다. 예시적으로, 에피택셜 성장된 AlOxNy/AlN 층의 두께는 100-250A이고 에피택셜 성장된 SiOxNy 층의 두께는 100-300A이다.
단계 S300: 제2 기판에 LED 구조층을 에피택셜 성장시킨다.
예를 들어, U형 GaN층, N형 GaN층, 응력 방출층, 전자 포집층, 다중 양자 우물층 및 P층 등과 같은 LED 구조층을 제2 기판에 순차적으로 에피택셜 성장시킬 수 있으며, LED 구조층을 에피택셜 성장시키는 방법으로는 임의의 방법을 사용할 수 있으며, 본 출원은 더 이상 반복하여 설명하지 않는다.
도 7 및 도 8은 상기 제조방법을 이용하여 제조된 LED 칩의 TEM 이미지를 나타낸다. 도 8에서 알 수 있듯이, Al2O3/SiO2 복합 PSS 기판 패턴 부분의 SiO2 재료에서 복합버퍼층의 두께는 57A 및124A인 반면, Al2O3/SiO2 복합 PSS 기판 패턴 부분의 Al2O3 재료에서 복합버퍼층의 두께는 88A 및117A로 양자의 두께 차이가 크지 않음을 알 수 있다. 도 7에서 알 수 있듯이 Al2O3/SiO2 복합 PSS 기판의 SiO2 패턴 부분에서는 뚜렷한 격자 결함이 보이지 않고 격자가 더 조밀하다. 도 5 및 도 6의 LED 칩과 비교할 때, Al2O3/SiO2 복합 PSS 기판의 Al2O3 재료 및 SiO2 재료에서 복합버퍼층의 두께 균일성이 크게 향상되었으며 SiO2 패턴 부분에 뚜렷한 격자 결함이 없고 격자 품질도 크게 향상되었다.
본 출원은 산화알루미늄-산화규소 복합기판을 기반으로 하는 LED 칩 및 그 제조방법을 제공하고, LED 칩은 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판, 복합버퍼층 및 LED 구조층을 포함한다. 여기서, 복합버퍼층은 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판에 에피택셜 성장되고，LED 구조층은 복합버퍼층에 에피택셜 성장된다. 복합버퍼층은 질화산화알루미늄/질화알루미늄층 및 질화산화규소층을 포함하고, 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판 중의 산화알루미늄 상에는 질화산화알루미늄/질화알루미늄층이 피복되고, 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판 중의 산화규소 상에는 질화산화알루미늄/질화알루미늄층 및 질화산화규소층이 교차간격적으로 피복된다. 질화산화알루미늄/질화알루미늄층 중의 질화산화알루미늄은 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판과 연결되고, 질화산화알루미늄/질화알루미늄층 중의 질화알루미늄은 LED 구조층과 연결된다. 복합버퍼층은 산화알루미늄 및 산화규소 재료에서 두께 균일성이 더 우수하고, 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판으로 부터 LED 결정성장 기저층으로의 재질이 다름으로 인한 격자 불일치 및 응력 방출을 더 잘 완충할 수 있으며, 이음층 위치의 결함을 줄일 수 있다.
본 출원에서 제공하는 실시예 사이의 유사한 부분은 상호 참조하면 되며, 위에서 제공하는 구체적인 실시형태는 본 출원의 일반적인 구상에 따른 몇 가지 예시일 뿐 본 출원의 보호 범위의 제한을 이루지는 않는다. 당업자에게 있어서, 창의적인 노동을 하지 않는 전제 하에 본 출원의 기술안에 따라 확장되어 얻는 기타 실시형태는 모두 본 출원의 보호 범위에 속한다.
Claims (9)
- 산화알루미늄-산화규소 복합기판을 기반으로 하는 LED 칩으로서, 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판, 복합버퍼층 및 LED 구조층을 포함하고, 상기 복합버퍼층은 상기 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판에 에피택셜 성장되고, 상기 LED 구조층은 상기 복합버퍼층에 에피택셜 성장되며;
상기 복합버퍼층은 질화산화알루미늄/질화알루미늄층 및 질화산화규소층을 포함하고;
상기 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판 중의 산화알루미늄상에는 상기 질화산화알루미늄/질화알루미늄층이 피복되고, 상기 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판 중의 산화규소상에는 상기 질화산화알루미늄/질화알루미늄층 및 상기 질화산화규소층이 교차간격적으로 피복되며;
상기 질화산화알루미늄/질화알루미늄층 중의 질화산화알루미늄은 상기 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판과 연결되고, 상기 질화산화알루미늄/질화알루미늄층 중의 질화알루미늄은 상기 LED 구조층과 연결되는 것을 특징으로 하는 산화알루미늄-산화규소 복합기판을 기반으로 하는 LED 칩. - 제 1 항에 있어서,
상기 질화산화알루미늄/질화알루미늄층 중의 질화산화알루미늄의 두께는 상기 질화산화알루미늄/질화알루미늄층 전체 두께의 30%-60%인 것을 특징으로 하는 산화알루미늄-산화규소 복합기판을 기반으로 하는 LED 칩. - 제 1 항에 있어서,
상기 질화산화알루미늄/질화알루미늄층의 두께는 100-250A이고, 상기 질화산화규소층의 두께는 100-300A인 것을 특징으로 하는 산화알루미늄-산화규소 복합기판을 기반으로 하는 LED 칩. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 산화알루미늄-산화규소 복합기판을 기반으로 하는 LED 칩을 제조하는 데 사용되는 LED 칩의 제조방법에 있어서,
상기 제조방법은,
산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판을 물리적 증착 장비에 넣고, 물리적 증착을 통해 질화산화알루미늄/질화알루미늄층을 에피택셜 성장시켜, 제1 기판을 얻는 단계;
상기 제1 기판을 금속유기화합물 화학증착 장비에 넣고, 금속유기화합물 화학증착을 통해 질화산화규소층을 에피택셜 성장시켜 제2 기판을 얻는 단계;
상기 제2 기판에 LED 구조층을 에피택셜 성장시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 칩의 제조방법. - 제 4 항에 있어서,
산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판을 물리적 증착 장비에 넣고, 물리적 증착을 통해 질화산화알루미늄/질화알루미늄층을 에피택셜 성장시켜, 제1 기판을 얻는 상기 단계는,
물리적 증착 장비 챔버에서, 질소 분위기하에, 아르곤을 사용하여 알루미늄 표적재를 충격하여 상기 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판의 기판 표면에 마그네트론을 이용해 스퍼터링하고, 산소를 주입하고, 반응시켜 상기 산화알루미늄-산화규소 복합 PSS 기판에 에피택셜 성장된 질화산화알루미늄 박막을 얻는 단계;
산소 주입을 중단하고, 반응시켜 질화산화알루미늄 층에 에피택셜 성장된 질화알루미늄 박막울 얻어 상기 제1 기판을 얻는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 칩의 제조방법. - 제 5 항에 있어서,
물리적 증착 장비의 스퍼터링 출력 설정 범위는 3000-4500W이고, 스퍼터링 온도 설정 범위는 500-650℃이며; 산소를 주입하는 유량은 2sccm-6sccm이고, 산소를 주입하는 시간은 물리적 증착 에피택셜 성장 전체 시간의 30%-60%인 것을 특징으로 하는 LED 칩의 제조방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 제1 기판을 금속유기화합물 화학증착 장비에 넣고, 금속유기화합물 화학증착을 통해 질화산화규소층을 에피택셜 성장시켜 제2 기판을 얻는 상기 단계는,
금속유기화합물 화학증착 장비에서, 상기 제1 기판에 대해 수소 분위기에서, 제1 기설정 온도로 열처리하며 열처리는 제1 기설정 시간 지속되도록 하는 단계;
분위기를 질소와 암모니아의 혼합 분위기의 방식으로 전환하고, 여기서 질소는 운반 기체이고, 암모니아는 반응 기체로서, 질소 소스를 제공하는 데 사용되고, 제2 기설정 온도로 열치환 반응을 수행하고, 반응을 통해 상기 제1 기판에 에피택셜 성장된 질화산화규소층을 얻고, 상기 제2 기설정 온도는 상기 제1 기설정 온도보다 낮고, 열치환 반응은 제2 기설정 시간 동안 지속되도록 하는 단계;
질소와 암모니아의 혼합 분위기를 유지하고, 온도를 제어하여 제3 기설정 온도로 낮추어 어닐링 처리를 수행하고, 상기 제3 기설정 온도는 상기 제2 기설정 온도보다 낮고, 어닐링 처리를 제3 기설정 시간 동안 지속하여 상기 제2 기판을 얻는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 칩의 제조방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 제1 기설정 온도 범위는 1050℃-1150℃이고, 상기 제1 기설정 시간 범위는 1-5min이며; 상기 제2 기설정 온도 범위는 800℃-1000℃이고, 상기 제2 기설정 시간 범위는 5min-20min이며; 상기 제3 기설정 온도 범위는 550℃-650℃이고, 상기 제3 기설정 시간 범위는 20min-30min인 것을 특징으로 하는 LED 칩의 제조방법. - 제 4 항에 있어서,
에피택셜 성장된 상기 질화산화알루미늄/질화알루미늄층의 두께는 100-250A이고, 에피택셜 성장된 상기 질화산화규소층의 두께는 100-300A인 것을 특징으로 하는 LED 칩의 제조방법.
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